DE69123284T2

DE69123284T2 - Batterieladegerät

Info

Publication number: DE69123284T2
Application number: DE69123284T
Authority: DE
Inventors: Masami Furuta; Takao Iwatsuki; Toshio Matsumoto; Hideiki Niwa; Masatoshi Sugiura; Hideki Watanabe
Original assignee: OKAWA ELECTRIC CO Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Makita Corp
Current assignee: OKAWA ELECTRIC CO Ltd; Fuji Electric Co Ltd; Makita Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2011-04-30
Also published as: DE69123284D1; US5289101A; EP0454500B1; EP0454500A3; EP0454500A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batterieladegerät zum Laden eines Batteriesatzes für ein elektrisches Gerät wie etwa für ein elektrisches Reinigungsgerät und eines energiebetriebenen Werkzeugs bzw. einer Werkzeugmaschine, und bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung bei einer Ausgestaltung der Schaltung des Batterieladegeräts.
Ein allgemeiner Schaltungsaufbau eines herkömmlichen Batterieladegeräts gemäß der mit Konstantstrom arbeitenden Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Die Schaltung weist eine primäre Gleichspannungsschaltung 1 zum Gleichrichten und Glätten einer Wechselspannung, die von einer kommerziellen bzw. öffentlichen Wechselspannungsquelle (nicht gezeigt) über Wechselspannungsanschlüsse la, ib abgegriffen wird, einen Feldeffekttransistor FET, der mit isoliertem Gate yersehen ist und als ein Zerhacker zum Zerhacken einer Gleichspannung, die von der primären Gleichspannungsschaltung 1 zugeführt wird, mit einer vorbestimmten Frequenz dient, einen Transformator T zum Herabtransformieren der Spannung, der eine primäre Wicklung, an die die intermittierende Gleichspannung von dem Feldeffekttransistor FET angelegt wird, und eine sekundäre Wicklung für die Abgabe einer in der Spannung verringerten Leistung mit der intermittierenden Wellenform enthält, eine sekundäre Gleichspannungsschaltung 2 zum Gleichrichten und Glätten der hinsichtlich der Spannung verringerten Energie, eine Stromdetektorschaltung 3 zum Erfassen eines Ladestroms 1, eine sekundäre Steuerschaltung 4 zum Abgeben eines Impulssignals (dieses wird im folgenden auch als ein Ladesteuersignal S2 bezeichnet), dessen Impulsbreite derart moduliert ist, daß sie kleiner wird, wenn der Ladestrom 1 groß ist, und daß sie größer wird, wenn der Ladestrom 1 klein ist, und eine primäre Steuerschaltung 5 zum Verändern des Tastverhältnisses eines Gatesignals G1 für die Einschaltung/Ausschaltung des Gates, das an den Feldeffekttransistor FET anzulegen ist, auf.
Ein Batteriepaket bzw. Batteriesatz 6 weist eine zu ladende Batterie B und einen Thermostat THM auf, der zum Ermitteln der Aufladung der Batterie B mit dieser Batterie B in Reihe geschaltet ist. Der Batteriesatz 6 ist an einem Halteabschnitt angebracht, der an einem Körper (nicht gezeigt) des Batterieladegeräts zum stabilen Aufnehmen des Batteriesatzes 6 ausgebildet ist, derart, daß Anschlüsse 6a, 6b und 6c des Batteriesatzes 6 elektrisch mit einem positiven Anschluß 7a, einem negativen Anschluß 7b bzw. mit einem Thermostat-Anschluß 7c des Batterieladegeräts verbunden sind. Wenn angenommen wird, daß die Batterie B normal ist, wird die Batterie B anfänglich mittels eines sehr kleinen Stroms durch eine Diode D1, einen Widerstand R1 zum Begrenzen des Stroms und ein wärmeempfindliches Schutzelement wie etwa einem OCR auf der Seite des Batterieladegeräts geladen. Die Stromerfassungsschaltung 4 erfaßt nachfolgend den Ladestrom 1 auf der Basis des Spannungsabfalls an einem Nebenschlußwiderstand R2 und gibt ein Stromerfassungssignal S1 an die sekundäre Steuerschaltung 4 ab, die eine Ladespannung V ermittelt. Die sekundäre Steuerschaltung 4 erregt ihre interne Relaisspule (nicht gezeigt), um hierdurch einen Relaisschalter SW zu schließen, so daß die Batterie B in vollem Maße bzw. mit vollem Ausmaß geladen werden kann. Während der Zeit einer solchen Ladung in vollem Ausmaß bzw. mit voller Stärke fließt der Erregerstrom für die Relaisspule der zweiten Steuerschaltung 4 durch den Anschluß 7c (6c), den Thermostat THM und den Anschluß 7b (6b). (In Fig. 6 ist die Ausgestaltung der sekundären Steuerschaltung teilweise weggelassen.)
Das Batterieladegerät ist bei dieser Ausführungsform derart aufgebaut, daß die Batterie B durch Zuführung eines Ladestroms mit einem konstanten Wert geladen wird. Wenn der analoge Wert der Spannung des Stromerfassungssignals S1, das von der Stromerfassungsschaltung 3 abgegeben wird, einen vorbestimmten Wert nicht erreicht, wird an die Sekundärseite eine größere Menge an Ladestrom gespeist. Folglich erzeugt die sekundäre Steuerschaltung 4 das Ladesteuersignal S2, dessen Impulse. derart moduliert sind, daß sie eine große Breite aufweisen, und es wird das Ladesteuersignal S2 nachfolgend an die primäre Steuerschaltung 5 als ein analoges Signal über eine RC-Integrierschaltung 8 einer mit Pulsbreitenmodulation PWM arbeitenden Demodulationsschaltung und einen Photokoppler (optischer Isolator) PC 1 angelegt. Die primäre Steuerschaltung 5 erzeugt das Gatesteuersignal G1 mit relativ großem Tastverhältnis in Übereinstimmung mit dem eine große Breite aufweisenden Impuls und legt dieses an den Feldeffekttransistor FET an. Der Strom, der durch die Primärwicklung des Transformators T fließt, vergrößert sich dann, so daß der Strom, der durch die Sekundärwicklung fließt, sich ebenfalls vergrößert, mit der Wirkung, daß größerer Ladestrom zu der Batterie B gespeist wird. Dies bedeutet, daß ein Ladestrom, der einen konstanten Wert aufweist, an die Batterie B angelegt wird.
Falls der Batteriesatz 6, der die Batterie B enthält, an dem Batterieladegerät angebracht ist und kurzgeschlossen wird, fließt ein übermäßiger Strom durch den Nebenschlußwiderstand R2. Dieser Effekt kann auch dadurch hervorgerufen werden, daß die Batterie B fehlerhaft ist. Ein solcher übermäßiger Strom wird durch die Stromerfassungsschaltung 3 ermittelt, die an die primäre Steuerschaltung 5 über einen Photokoppler PC2 ein die Erfassung eines übermäßigen Stroms darstellendes Erfassungssignal S3 abgibt. Die primäre Steuerschaltung moduliert das Gatesteuersignal G1 auf der Grundlage des die Erfassung eines übermäßigen Stroms darstellenden Signals S3 derart, daß es ein kleineres Tastverhältnis annimmt. Der Ladestrom auf der sekundären Seite verringert sich demzufolge, so daß die Zuführ des übermäßigen Stroms zu der Batterie B verringert bzw. vermieden werden kann.
In Fig. 6 bezeichnen R3 bis R6 Widerstände, während C1 einen Kondensator bezeichnet.
Das vorstehend beschriebene herkömmliche Batterieladegerät weist die folgenden Nachteile auf:
Das Ladesteuersignal S2, das eine modulierte Impulsbreite besitzt und von der sekundären Steuerschaltung 4 abgegeben wird, wird zunächst in ein analoges Signal S2' durch die RC- Integrierschaltung 8 der mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Demodulationsschaltung umgewandelt. Das analoge Signal S2' wird an eine Leuchtdiode LED angelegt und wird daher durch einen Emitter eines Phototransistors Tr1 des Photokopplers PC1 geführt. Der Photokoppler PC1 dient dazu, unterschiedliche Werte zwischen der Spannung der primären Masse und der Spannung der sekundären Masse bereitzustellen, um hierdurch eine elektrische Isolation zu erzielen. Der Photokoppler PC1 besitzt jedoch eine Übertragungs charakteristik bzw. Übertragungskennlinie (wie etwa hFE), die sich in Abhängigkeit von den Photokopplern verändert, und besitzt weiterhin schlechte Temperatureigenschaften. Er verschlechtert sich daher erheblich mit zunehmenden Alter. Bei der Herstellung einer Schaltung für ein Batterieladegerät ist es demzufolge notwendig, Photokoppler auszuwahlen, die jeweils gleichartige Eigenschaften haben, und Empfmdlichkeitssteuerungen durchzuführen, auch wenn sie bei der Alterung niedrige Zuverlässigkeit hinsichtlich der Veränderung haben. Insbesondere ist die Spannung am Emitter des Phototransistors Tr1, der als ein Lichtempfänger dient, nicht linear identisch mit der Spannung des analogen Signals S2'. Es ist daher schwierig, das analoge Signal S2' zuverlässig zu übertragen, und es enthält das Tastverhältnis des Gatesteuersignals G1, das von der primären Steuerschaltung 5 abgegeben wird, unausweichlich Fehler. Beim Stand der Technik liegen somit Probleme in dessen Steuersystem vor.
Weiterhin wird bei der herkömmlichen Ladeschaltung zum Begrenzen eines übermäßigen Ladestroms, der auf der Sekundärseite auftreten könnte, das Tastverhältnis des Gatesteuer signals, das von der primären Steuerschaltung abzugeben ist, automatisch in dem Pfad zwischen der Stromerfassungsschaltung 3 und dem Photokoppler PC2, der als ein Informationsübertragungsmittel zur Informationsübertragung von der Sekundärseite zu der Primärseite dient, begrenzt, so daß die Größe der Zufuhr von Energie zu der Sekundärseite verringert werden kann. Jedoch ist bei derartigen herkömmlichen Ladeschaltungen die Begrenzung von Übergangsstörungen bzw. Übergangseffekten sehr schwierig, wenn der Strom abrupt vergrößert wird und einen exzessiven Wert erreicht. Da ferner der Pfad für die Übertragung der Information recht lang ist, ist die Reaktion erheblich verzögert und kann demzufolge keine sofortige Begrenzung des Stroms hervorrufen. Das Batterieladegerät wird zum Laden von unterschiedlichen Arten von Batterien eingesetzt und es besteht daher eine gewisse Möglichkeit, daß eine übermäßige Erwärmung hervorgerufen wird, wenn ein übermäßiger Strom während des Ladevorgangs hervorgerufen worden ist.
In der EP-A-0 170 944 ist eine Energiezuführschaltung offenbart, die ähnlich ist wie die vorstehend beschriebene Schaltung.
Die EP-A-0 271 290 und DE-A-3 622 986 offenbaren Gleichspannungs/Gleichspannungs- Wandler, bei denen eine Fehlerinformation in digitaler Form vön der Sekundärseite zu der Primärseite übertragen wird.
Die US-4 058 758 und US-4 763 235 offenbaren Stromversorgungen, bei denen der Primärstrom begrenzt wird, um hierdurch eine Überlastung zu verhindern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterieladegerät zu schaffen, das ein Steuersystem zum Begrenzen von übermäßigen Strömen enthält, das rasch ansprechen kann, so daß die Entstehung eines vorübergehenden übermäßigen Stroms auf der Sekundärseite verhindert werden kann.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Batterieladegerät geschaffen, das aufweist:
einen Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist,
einen Schalter für die Steuerung der Dauer bzw. des Tastverhältnisses eines Stroms, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt,
einen Detektor zum Erfassen des Werts eines Stroms, der durch die Sekundärwicklung des Transformators fließt,
eine sekundäre Steuereinrichtung für den Empfang des erfaßten Werts von dem Detektor und für die Abgabe eines Ladesteuersignals, dessen Impulse in Abhängigkeit von dem durch den Detektqr erfaßten Wert moduliert sind bzw. werden,
eine Lichtsendeeinrichtung, die durch das Ladesteuersignal gesteuert wird,
einen Phototransistor, der auf das von der Lichtsendeeinrichtung ausgesandte Licht anspricht, und
eine primäre Steuereinrichtung, die auf den Phototransistor für die Abgabe eines Impulssignals an den Schalter anspricht, wobei das Impulssignal als Reaktion auf das Ausgangssignal des Phototransistors derart moduliert ist, daß es einen Arbeitszyklus bzw. ein Tastverhältnis steuert, um hierdurch den Arbeitszyklus des Schalters zu steuern,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtsendeeinrichtung durch das Ladesteuersignal so gesteuert wird, daß sie eingeschaltet und ausgeschaltet wird, und der Phototransistor als Reaktion hierauf einschaltet und ausschaltet, und die primäre Steuereinrichtung das Verhältnis zwischen der Zeit, während der der Phototransistor eingeschaltet ist, und der Zeit, während der er ausgeschaltet ist, in einen analogen Wert umwandelt, auf dessen Grundlage der Arbeitszyklus gesteuert wird, und
weiterhin gekennzeichnet durch
einen zweiten Detektor für die Ermittlung des Werts eines Stroms, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt,
einen Vergleicher für den Vergleich des durch den zweiten Detektor erfaßten Werts mit einem vorbestimmten Wert,
ein Flip-Flop, das auf das Ausgangssignal des Vergleicher derart anspricht, daß es gesetzt wird, wenn der erfaßte Wert den vorbestimmten Wert überschreitet, und eine Einrichtung zum automatischen Beenden des Impulssignals, das an den Schalter angelegt ist, wenn das Flip-Flop gesetzt ist, und zum Rücksetzen des Flip-Flops bei jedem Zyklus, so daß der Schalter eingeschaltet wird.
Bei der Erfindung wird der Ladestrom nicht zugeführt, wenn der erfaßte Wert des Stroms, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt, den vorbestimmten Wert überschreitet, wodurch die Zeitdauer zwischen dem Auftreten eines übermäßigen Stroms und dessen Begrenzung verkürzt ist, und die Batterie geschützt wird.
Die Erfindung wird anhand der Ansprüche und der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen noch besser verständlich.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsausgestaltung eines Batterieladegeräts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, in dem der Schaltungsaufbau einer integrierten Schaltung IC zur Steuerung der Primärseite der Schaltung, die in Fig. 1 dargestellt ist, gezeigt ist,
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm, in dem Signalverläufe von unterschiedlichen Signalen in der Schaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, während der Startzeitdauer und einer normalen Betriebszeit gezeigt sind,
Fig. 4A zeigt eine Darstellung, in der ein Signalverlauf eines Ladesteuersignals in der Schaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, dargestellt ist,
Fig. 4B zeigt ein Diagramm, das die zeitliche Lage des Einschaltens und Ausschaltens eines Photokopplers veranschaulicht, wobei der Signalverlauf des Ladesteuersignals demjenigen entspricht, der in Fig. 4A gezeigt ist,
Fig. 4C zeigt eine Darstellung, die den Signalverlauf der Basisspannung eines Transistors veranschaulicht, wenn das Ladesteuersignal den Signalverlauf aufweist, wie er in Fig. 4A gezeigt ist,
Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm, in dem Signalverläufe von unterschiedlichen Signalen in der Schaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, für den Fall dargestellt sind, daß ein übermäßiger Strom erzeugt worden ist, und
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, in dem ein Schaltungsaufbau eines in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik stehenden Batterieladegeräts gezeigt ist.
Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist der Schaltungsaufbau eines Batterieladegeräts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Fig. 1 sind die gleichen Elemente wie diejenigen, die in Fig. 6 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei eine nochmalige Erläuterung dieser Elemente entfällt.
Eine primäre Gleichspannungsschaltung 1 weist eine Filterschaltung 1c zur Beseitigung von Störungen, eine Diodenbrückenschaltung 1d und einen Glättungskondensator C2 auf. Eine Störunterdrückungsschaltung 10, die einen Widerstand R7, einen Kondensator C3 und eine Diode D2 enthält, ist zwischen die Anschlüsse der primären Hauptwicklung Ta eines die Spannung abwärts transformierenden Transformators T' geschaltet. Ein Feldeffekttransistor FET, der ein isoliertes Gate aufweist und als ein Zerhacker arbeitet, ist in Reihe mit einem Nebenschlußwiderstand R8 zwischen die Primärwicklung Ta und Masse geschaltet. Der Transistor FET wird mit einer vorbestimmten Frequenz intermittierend durch ein Gatesteuersignal G1 ein- und ausgeschaltet, das ein variables Tastverhältnis besitzt und von einer primären Steuerschaltung 2 abgegeben wird, was im weiteren Text näher erläutert wird.
Eine sekundäre Gleichspannungsschaltung 2 weist gleichrichtende Dioden D3 und D4, eine strombegrenzende Spule L und einen Glättungskondensator C3 auf. Eine die Gleichspannung stabilisierende Leistungsschaltung 30 dient zum Anlegen einer Leitungsspannung Vcc (5V) an eine sekundäre Steuerschaltung 4 und an eine Stromerfassungsschaltung 3 usw., und ist mit einer sekundären Nebenschlußspule Tb des Transformators T' verbunden. Die die Gleichspannung stabilisierende Schaltung 30 enthält eine gleichrichtende Diode D5, einen Regler IC mit drei Anschlüssen und Kondensatoren C4 und C5. Eine Gleichspannungsschaltung 40 dient zur Zuführung der Leitungsspannung Vcc (5V) zu der primären Steuerschaltung 20 usw. und ist mit einer primären Nebenschlußspule Tc des Transformators T' verbunden. Die Gleichspannungsschaltung 40 enthält eine gleichrichtende Diode D6 und einen Glättungskondensator C6.
Ein Photokoppler PC1 dient zum Übertragen eines Ladesteuersignals (Rückkopplungssignals) S2 von der Sekundärseite zu der Primärseite und enthält eine Leuchtdiode LED 1, die eine Lichtsendeeinrichtung bildet, und einen Phototransistor Tr1, der als Lichtempfänger dient. Die Anode der Leuchtdiode LED1 ist mit der sekundären Spannungsquelle Vcc über einen Widerstand R9 verbunden, während die Kathode der Leuchtdiode mit einem zur Abgabe des Ladesteuersignals dienenden Ausgangsanschluß 4a der sekundären Steuerschaltung 4 verbunden ist. Ein Widerstand R10 ist parallel zu der Leuchtdiode LED1 und dem Widerstand R9 geschaltet. Auf der anderen Seite ist der Kollektor des Phototransistors Tr1 mit einem zweiten Anschluß einer integrierten Steuerschaltung 23 über einen Widerstand Rs, eine PBM-Demodulationsschaltung (für Impulsbreitenmodulation ausgelegte Demodulationsschaltung) 21 und einen Fehlerverstärker 22 verschaltet. Die für Pulsbreitenmodulation ausgelegte Demodulationsschaltung 21 ist eine integrierende Schaltung, die Verlustwiderstände R11 und R12, die miteinander in Reihe geschaltet sind, und einen Lade/Entladekondensator C7 enthält, der parallel zu den Widerständen R11 und R12 geschaltet ist. Der positive Anschluß des Lade/Entladekondensators C7 ist mit der primären Spannungsquelle Vcc (diese ist an den sechsten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 angeschlossen) über einen mit drei Anschlüssen versehenen Regler IC verbunden und wird auf die Spannung Vcc hochgezogen. Der Fehlerverstärker 22 enthält einen pnp-Transistor Q1, einen Emitterwiderstand R13 und einen Kollektorwiderstand R14, dessen Spannung an den zweiten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 angelegt ist.
Die integrierte Steuerschaltung 23 kann zum Beispiel eine Steuerschaltung sein, wie sie von Fuji Electric Co., Ltd., Japan, mit der Modellnummer FA50304P hergestellt wird, wobei ihr detaillierter Schaltungsaufbau in Fig. 2 gezeigt ist, wobei jedoch ein Teil weggelassen ist. Die Erläuterung aller Elemente der integrierten Steuerschaltung 23 würde das Verständnis der vorliegenden Erfindung recht schwierig gestalten, weshalb im folgenden lediglich Ausführungen im Hinblick auf diejenigen Elemente, die mit der vorliegenden Erfindung zusammenhängen, gemacht werden.
Ein mit Pulsbreitenmodulation arbeitender Vergleicher 23A überträgt das Gatesteuersignal G1, das einen Signalverlauf mit Impulsbreitenmodulation aufweist, und umfaßt vier Eingangsanschlüsse A, B, C und D. Der mit Impulsbreitenmodulation arbeitende Vergleicher 23a vergleicht ein von einem internen Oszillator (OSC) 23c abgegebenes Ausgangssignal mit der niedrigsten Spannung von einer Klemmenspannung (CS), die an den Eingangsanschluß B angelegt ist, einer Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 22, die an den Eingangsanschluß C über den zweiten Anschluß angelegt ist, und einer Spannung DT, die an den Eingangsanschluß D angelegt ist.
Das Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a nimmt hohen Wert an, wenn die niedrigste Spannung kleiner ist als das Ausgangssignal des Oszillators 23c, während es niedrigen Wert annimmt, wenn die niedrigste Spannung höher ist als das Ausgangssignal des Oszillators 23c. Wenn das Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a niedrig ist, nehmen das Ausgangssignal eines NOR-Glieds 23b und die Spannung an dem fünften Anschluß den hohen Pegel an. Das NOR-Glied 23b weist drei Eingangsanschlüsse auf, an die das Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a, ein Ausgangssignal einer Schaltung (U.V.L.O.) 23d zur Verhinderung einer Fehlfünktion bei niedriger Spannung, bzw. ein Ausgangssignal Q eines RS-Flip-Flops 23e angelegt sind. Die Schaltung zur Verhinderung einer Fehlfünktion bei niedriger Spannung erzeugt ihr Ausgangssignal, wenn die Leitungsspannung der integrierten Steuerschaltung 23 einen ausreichenden Wert erreicht hat, um hierdurch eine Fehlfünktion der Schaltungen der integrierten Steuerschaltung 23 während der Zeitdauer nicht ausreichender Leitungsspannung zum Beginn der Einschaltung der Spannung für die integrierte Steuerschaltung 23 zu verhindern. Der Setz-Eingangsanschluß des RS-Flip-Flops 23e empfängt das Ausgangssignal eines Vergleichers 23f, wohingegen an den Rücksetz-Eingangsanschluß R das Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a angelegt ist. An den Erfassungseingangsanschluß des Vergleichers 23f ist ein das Auftreten eines übermäßigen Stroms anzeigendes Signal IS, das im weiteren Text erläutert wird, über den dritten Anschluß angelegt. Ein Kondensator CS stellt einen zeitbestimmenden Kondensator dar und ist mit dem achten Anschluß für die Steuerung der Anfangsperiode zu Beginn der Einschaltung der Spannung verbunden. Die primäre Steuerschaltung 20 enthält mehrere Widerstände, Kondensatoren und Dioden, die nicht im einzelnen beschrieben werden, jedoch Hilfsfünktionen wie etwa eme Vorspannung, eine Phaseneinstellung und eine Verhinderung einer Zerstörung ausüben.
Die Stromerfassungsschaltung 3 enthält einen invertierenden Verstärker 3a für die Erfassung des Werts des Ladestroms in Form eines Spannungswerts, und eine Treiberschaltung 3b für eine Leuchtdiode LED2 in einem Photokoppler PC2. Der invertierende Verstärker 3a enthält einen Operationsverstärker OP, der an seinem invertierenden Eingangsanschluß den Wert des Spannungsabfalls (negativer Wert) an dem Nebenschlußwiderstand R2, der in eine Ladestromschaltung eingebaut ist, über einen Eingangswiderstand R15 empfängt. Der invertierende Verstärker 3a weist darüber hinaus einen Rückkopplungswiderstand R16 und einen Rückkopplungskondensator C8 für den Operationsverstärker OP auf. Das invertierte und verstärkte Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers 3a wird als ein Stromerfassungssignal 51 an einen Anschluß 4b der zweiten Steuerschaltung 4 angelegt, und weiterhin zu einem Nebenschlußregler Re, der mit der Leuchtdiode LED2 in Reihe ge schaltet ist, über einen Widerstand R17 gespeist. Die Spannung an dem Nebenschlußregler Re wird bei einem Wert gehalten, der im wesentlichen der gleiche ist wie die Ladespannung eines Kondensators C9. Wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP einen vorbestimmten Wert überschreitet, fließt der Strom durch den Nebenschlußregler Re, so daß die Leuchtdiode LED2 Licht aussendet. Der Kollektor eines Phototransistors Tr2 in dem Photokoppler PC2 ist mit einem zweiten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 über einen Widerstand R6 verbunden und wird auf die Leitungsspannung Vcc hochgezogen.
Im folgenden werden die charakteristischen Betriebsabläufe in der vorstehend erläuterten Schaltung in Verbindung mit den unterschiedlichen Situationen beschrieben.
Wenn die Wechselspannungsquelle eingeschaltet wird und hierdurch Spannung an die Primärseite angelegt wird, wird von der Gleichspannungsschaltung 1 eine konstante Spannung VO abgegeben, und es wird die primäre Leitungsspannung Vcc an den sechsten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 über einen Verlustwiderstand R18 angelegt. Weiterhin wird ein Ausgangssignal (hoher Pegel) der eine Fehifünktion bei niedriger Spannung verhindemden Schaltung 23d an das NOR-Glied 23b usw. angelegt. Der zeitbestimmende Kondensator CS wird gleichzeitig durch eine Spannungsquelle 239 mit einem konstanten Strom (10µA) geladen, und es vergrößert sich die Klemmenspannung CS allmählich in Übereinstimmung mit einer bestimmten Zeitkonstante, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Darüber hinaus gibt der Oszillator 23c kontinuierlich eine dreieckförmige Welle gemaß der Darstellung in Fig. 3 ab, wenn die Spannung eingeschaltet ist. Zum Beginn der Einschaltung der Spannung gibt der Fehlerverstärker 22 seine maximale Spannung gemäß der Darstellung in Fig. 3 auf der Grundlage des Ladesteuersignals 52, das von der sekundären Steuerschaltung 4 erhalten wird, ab. Da der mit Impulsbreitenmodulation arbeitende Vergleicher 23a das Ausgangssignal des Oszillators 22c mit der niedrigsten Spannung aus der Klemmenspannung CS, der Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 22 und der Spannung DT (e1) vergleicht, wird das Ausgangssignal des Oszillators 23c vorzugsweise mit der Klemmenspannung CS zu Beginn der Einschaltung der Spannung verglichen, so daß ein sanfter Anlauf durchgeführt wird. Die Impulsbreite (Tastverhältnis) des Ausgangssignals des mit Pulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a und diejenige des Gatesteuersignals G1, das einem invertierten Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichs 23a entspricht, werden allmählich größer, und es wird demgemäß die Zeitdauer der Einschaltung des Transistors FET, der als Zerhacker dient, länger, so daß sich die Größe der Spannung, die an die Sekundärseite angelegt wird, monoton vergrößert. Die Gleichspannung wird somit von der sekundären Gleichspannungsschaltung 2 erzeugt und es wird das Laden einer Batterie B in Übereinstimmung mit dem vorstehend erläuterten Ablauf begonnen.
Der Ladestrom I erzeugt einen Spannungsabfall an dem Nebenschlußwiderstand R2, wobei die Stromerfassungsschaltung 3 den Wert dieses Spannungsabfalls ermittelt. Der Wert des Spannungsabfalls wird größer, wenn sich der Ladestrom I vergrößert und es erhöht sich demzufolge die Spannung des Stromerfassungssignals S1 entsprechend. In gleicher Weise nimmt die Spannung des Stromerfassungssignals S1 ab, wenn sich der Ladestrom 1 verringert. Die sekundäre Steuerschaltung 4 enthält einen mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Modulator (nicht gezeigt) zum Modulieren der Impulsbreite des Stromerfassungssignals S1, um hierdurch das Ladesteuersignal S2 zu erzeugen. Ein hinsichtlich der Impulsbreite moduliertes Signal (impulsbreitenmodulierte Welle) des Ladesteuersignals S2 wird gemäß der Darstellung in Fig. 4A von dem Anschluß 4a der sekundären Steuerschaltung 4 an den Photokoppler PC1 angelegt. Die Impulsbreite w1 entspricht der Situation, bei der der Strom mit einem vorbestimmten Strom wie etwa 6 A übereinstimmt, wahrend die Impulsbreite w2 einer Situation entspricht, bei der der Strom nicht ausreichend ist, und die Impulsbreite w3 der Situation entspricht, bei der der Strom übermaßig groß ist. Die Zeitdauer eines Zyklus ist mit t bezeichnet.
Die Leuchtdiode LED1 des Photokopplers PC1 wird abgeschaltet (Zustand der Lichtaussendung), wenn die impulsbreitenmodulierte Welle höheren Pegel (H) besitzt, wohingegen die Leuchtdiode LED1 eingeschaltet wird (es wird kein Licht ausgesandt), wenn sich die impulsbreitenmodulierte Welle bei niedrigerem Pegel (L) befindet, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Der Phototransistor Tr1 des Photokopplers bzw. Optokopplers PC1 schaltet in Übereinstimmung mit dem Einschalten oder Ausschalten der Leuchtdiode LED1 ein oder aus, um hierdurch ein digitales Signal zu erzeugen. Das digitale Signal wird durch die für Impulsbreitenmodulation ausgelegte Demodulationsschaltung 21 in ein analoges Signal umgewandelt, und es weist die Basisspannung des Transistors Q1 einen Signalverlauf auf, der direkt aus der impulsbreitenmodulierten Welle des Ladesteuersignals S2 demoduliert ist (siehe Fig. 4C).
Die das Ladesteuersignal S2 bildende, impulsbreitenmodulierte Welle wird durch den Optokoppler PC1 direkt zu der Primärseite übertragen und durch die mit Impulsbreitenmodulation arbeitende Demodulationsschaltung 21 auf der Primärseite in ein analoges Signal umgewandelt. Daher lassen sich Probleme bei der Signalübertragung, die durch Veränderungen der Kennlinie oder durch die schlechten Temperatureigenschaften des Optokopplers PC1 begründet sein können, lösen. Folglich bewirkt die Sendesteuerung der Leuchtdiode LED1 keine Aussendung eines analogen Signals, sondern ruft lediglich das Aussenden oder Nicht-Aussenden von Licht in Form einer Schaltsteuerung mit Einschaltung und Ausschaltung hervor. Als Folge hiervon rufen Anderungen der Eigenschaften des Optokopplers PC1 keine ernsthaften Probleme hervor. Darüber hinaus begründen die schlechten Temperatureigenschaften keinerlei Probleme, da die logische Amplitude derart festgelegt werden kann, daß sie einen ausreichenden Wert aufweist. Ferner besitzt die Schaltung hohe Zuverlässigkeit im Hinblick auf altersbedingte Änderungen und weist eine lange Nutzlebensdauer auf. Es ist daher möglich, einen Optokoppler einzusetzen, der nicht teuer ist. Die Ladesteuerung wird noch genauer als bei dem Stand der Technik, und es kann sich das Batterieladegerät flexibel an die Verhältnisse der anzuwendenden bzw. aufzuladenden Batterie anpassen. Hierdurch können unerwartete Unglücksfälle wie etwa eine Beschädigung einer Batterie verhindert werden.
Das impulsbreitenmodulierte Signal wird an die Basis des Transistors Q angelegt, und das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 22 ist an den zweiten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 gemäß der vorstehenden Beschreibung angelegt. Wenn das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 22 von dem maximalen Wert abgesunken ist und einen stabilen Zustand erreicht hat (der Zustand des Ladens mit konstantem Strom), weist dieses Ausgangssignal den niedrigsten Wert auf, der mit dem Ausgangssignal des Oszillators 23c zu vergleichen ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Demzufolge wird das Tastverhältnis des Ausgangssignals des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden bzw. eine Impulsbreitenmodulation hervorrufenden Vergleichers 23a und das Gatesignal G1 gemäß der Darstellung in Fig. 3 während des normalen Arbeitsbetriebs moduliert, so daß die Batterie B mit konstantem Strom geladen wird.
Der Ladestrom kann sich vergrößern, wenn die Impedanz der Batterie B während des Ladevorgangs abrupt absinkt. Eine solche Vergrößerung des Ladestroms kann die Impulsbreite des impulsbreitenmodulierten Verlaufs des Ladesteuersignals 51 verringern und die Spannung des Ausgangssignals des primären Fehlerverstärkers 22 verkleinern. Die Impulsbreite des impulsbreitenmodulierten Verlaufs des Gatesteuersignals G1 wird demgemäß verringert, so daß die Energiemenge, die zu der Sekundärseite gespeist wird, verringert wird und der Ladestrom zu der Batterie B verkleinert wird, um hierbei den konstanten Wert wieder anzunehmen. Eine derartige Rückkopplungssteuerung von der Sekundärseite zu der Primärseite folgt auch einer relativ sanften Veränderung des Stroms während der normalen Betriebszeit
Wenn der Ladestrom relativ rasch vergrößert wird, vergrößert sich die Spannung des Stromerfassungssignals S1 abrupt. Die Leuchtdiode LED 2 des Optokopplers PS2 sendet demgemäß Licht aus und es wird der Phototransistor Tr2 eingeschaltet, so daß die Spannung, die an den zweiten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 22 angelegt ist, (Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 22) verringert ist. Dies kann die Energie, die zu der Sekundärseite gespeist wird, relativ rasch verringern. Jedoch wird die Information bezüglich der abrupten Vergrößerung des Ladestroms auf der Sekundärseite zu der integrierten Steuerschaltung 22 auf der Primärseite über die Stromerfassungsschaltung 3, den Optokoppler PC2 usw. übertragen. Dies kann eine erhebliche Verzögerung bei der Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung hervorrufen, so daß die Steuerung der Begrenzung der Leistung, die zu der Sekundärseite gespeist wird, eine lange Zeitverzögerung enthält, die zu einer Beschädigung der Batterie B führen kann.
Zur Lösung dieses Problems enthält das Batterieladegerät gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaltung, die den exzessiven Strom rasch begrenzen kann. Wenn ein exzessiver Strom auf der Sekundärseite erzeugt wird, wird der Strom, der durch die Spule Ta auf der Primärseite fließt (der Drainstrom des Transistors FET), gleichzeitig abrupt vergrößert, und es wird auch der Spannungsabfall an dem Nebenschlußwiderstand R8 erhöht, so daß sich die Spannung eines das Auftreten eines exzessiven Stroms anzeigenden Signals IS, das an den dritten Anschluß der integrierten Steuerschaltung 23 angelegt ist, erhöht, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Wenn die Spannung des das Auftreten eines exzessiven Stroms anzeigenden Signals die Referenzspannung e2 des Vergleichers 23f überschreitet, nimmt das Ausgangssignal des Vergleichers 23f hohen Pegel an und es wird demgemäß auch das Ausgangssignal Q des RS-Flip-Flops 23e zu hohem Wert. Demgemäß wird das Ausgangssignal des NOR-Glieds 23b unabhängig von dem Ausgangssignal des die Impulsbreitenmodulation bewirkenden Vergleichers 23a niedrig. Demzufolge nimmt das Gatesteuersignal G1 niedrigen Pegel an, so daß der Transistor FET automatisch abgeschaltet wird und der Drainstrom nicht fließt. Eine solche Abschaltung des Transistors FET setzt sich bis zu dem nächsten Zyklus selbst dann fort, wenn das Ausgangssignal des mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Vergleichers 23a hohen Pegel besitzt, und es wird daher die Größe der Speisung der Sekundärseite rasch verringert, um hierdurch den übermäßigen Strom sofort zu beenden. Demzufolge kann das Laden der Batterie B beendet werden, ohne daß irgendwelche Probleme hinsichtlich einer Beschlädigung auftreten, selbst wenn das Batterieladegerät für Batterien B mit unterschiedlichen Ladeeigenschaften eingesetzt wird.
Bei dem nächsten Zyklus wird der gleiche Vorgang der Strombegrenzung gemäß der vorstehenden Beschreibung durchgeführt, wenn der Strom auf der Sekundärseite noch exzessiv sein sollte. Es ist festzustellen, daß das Gatesteuersignal G1 zum Beginn des nächsten Zyklus zeitweilig anwächst, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Transistor FET wird demgemäß vorübergehend eingeschaltet, und wird mit einer geringen Zeitverzögerung automatisch abgeschaltet, falls der Strom übermäßig groß ist. Falls ein übermäßig großer Strom erfaßt worden ist und der Transistor FET kontinuierlich vollständig für einige wenige Zyklen im Anschluß hieran abgeschaltet gehalten wird, kann die sekundäre Gleichspannungsstabilisierungsschaltung 30 die konstante Spannung nicht aufrecht erhalten und es kann demgemäß die sekundäre Steuerschaltung 4 während einer solchen Zeitdauer ihre Funktion nicht ausüben. Dies bedeutet, daß die Überwachungsfünktion vollständig beendet wird.
Bei der vorliegenden Erfmdung wird jedoch das Gatesteuersignal G1, das ein Tastverhältnis mit einem kleinen oder minimalen Wert aufweist, dennoch zu dem Transistor FET während der Zyklen mit Leistungsbegrenzung, in denen der übermäßig große Strom vorhanden ist, übertragen, so daß zumindest die Funktion der Spannungsschaltung des Steuersystems aufrecht erhalten werden kann.
Auch wenn die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden ist, versteht es sich, daß Modifikationen oder Abänderungen leicht durchgeführt werden können, ohne von dem Rahmen der vorliegenden Erfmdung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Batterieladegerät mit

einem Transformator (T), der eine Primärwicklung (Ta) und eine Sekundärwicklung aufweist,

einem Schalter (FET) für die Steuerung der Dauer eines Stroms, der durch die Primärwicklung (Ta) des Transformators (T) fließt,

einem Detektor (3) für die Erfassung des Werts eines Stroms (1), der durch die Sekundärwicklung des Transformators (T) fließt,

einer sekundären Steuereinrlchtung (4) für den Empfang des erfaßten Werts von dem Detektor (3) und für die Abgabe eines Ladesteuersignals, dessen Impulse in Abhängigkeit von dem durch den Detektor erfaßten Wert moduliert werden,

einer Lichtsendeeinrichtung (LED&sub1;), die durch das Ladesteuersignal (S2) gesteuert wird,

einem Phototransistor (Tr1), der auf das von der Lichtsendeeinrichtung (LED&sub1;) ausgesandte Licht anspricht, und

einer primären Steuereinrichtung (23), die auf den Phototransistor (Tr1) für die Abgabe eines Impulssignals (G1) an den Schalter (FET) anspricht, wobei das Impulssignal als Reaktion auf das Ausgangssignal des Phototransistors (Tr1) derart moduliert ist, daß es einen Arbeitszyklus aufweist, um hierdurch den Arbeitszyklus des Schalters zu steuern,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtsendeeinrichtung (LED&sub1;) durch das Ladesteuersignal (S2) so gesteuert wird, daß sie eingeschaltet und ausgeschaltet wird, und der Phototransistor (Tr1) als Reaktion hierauf einschaltet und ausschaltet, und die primäre Steuereinrichtung (23) das Verhältnis zwischen der Zeit, während der der Phototransistor eingeschaltet ist, und der Zeit, während der er ausgeschaltet ist, in einen analogen Wert umwandelt, auf dessen Grundlage der Arbeitszyklus gesteuert wird, und

weiterhin gekennzeichnet durch

einen zweiten Detektor (23) für die Ermittlung des Werts eines Stroms, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt,

einen Vergleicher (23f) für den Vergleich des durch den zweiten Detektor erfaßten Werts mit einem vorbestimmten Wert,

ein Flip-Flop (23c), das auf das Ausgangssignal des Vergleicher derart anspricht, daß es gesetzt wird, wenn der erfaßte Wert den vorbestimmten Wert überschreitet, und

eine Einrichtung zum automatischen Beenden des Impuissignais, das an den Schalter angelegt wird, wenn das Flip-Flop gesetzt ist, und zum Rücksetzen des Flip-Flops bei jedem Zyklus, so daß der Schalter eingeschaltet wird.

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1, das weiterhin eine Nebenschlußspule (Tc) auf der primären Seite des Transformators für das Zuführen einer Spannung zu der primären Steuereinrichtung (23) aufweist.

3. Batterieladegerät nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin eine Nebenschluß spule (Th) auf der sekundären Seite des Transformators für die Zuführung einer Spannung zu der zweiten Steuereinrichtung (4) aufweist.

4. Batterieladegerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Spannung, die durch die Nebenschlußspule zugeführt wird, eine Betriebsspannung ist.

5. Batterieladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin eine zweite Lichtsendeeinrichtung (LED&sub2;) und einen zweiten Photodetektor (Tr2) flir die Abgabe einer Meldung von der Sekundärseite zu der Primärseite dann, wenn der Strom in der Sekundärseite übermäßig groß ist, aufweist.